電動汽車充電站換電車間建設(shè)的可行性研究

尹華山 趙曉燕

（煙臺電力設(shè)計院有限責(zé)任公司，山東 煙臺264000）

0 引言

在能源危機(jī)和氣候變暖的雙重挑戰(zhàn)下，電動汽車成為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、落實節(jié)能減排政策的重要途徑。電動汽車作為一種新型交通工具，是緩解我國石油資源緊張、 城市大氣污染嚴(yán)重等問題的重要手段，是推進(jìn)交通發(fā)展模式轉(zhuǎn)變的有效載體。電動汽車有著很好的社會效益和環(huán)境效益，集中體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）污染小，零排放，無污染，大幅度降低城市噪音；

（2）改善電網(wǎng)負(fù)荷，平衡電網(wǎng)峰谷負(fù)荷，提高機(jī)組利用率；

（3）節(jié)約能源，綜合能量利用率遠(yuǎn)高于其它能源方式；

（4）是貫徹國家能源戰(zhàn)略，落實節(jié)能減排政策的重大戰(zhàn)略舉措。

近年來，圍繞“建設(shè)經(jīng)濟(jì)文化強(qiáng)市，打造國際旅游名城”的城市發(fā)展戰(zhàn)略，2012 年煙臺市在高新區(qū)建設(shè)馬山充電站，為試運(yùn)營的兩條公交線路及潛在的電動車輛提供充電服務(wù)， 推動煙臺市電動汽車的發(fā)展。

1 建設(shè)必要性

遠(yuǎn)景規(guī)劃：2020 年將建成公交車充換電站5 座、環(huán)衛(wèi)車充換電站10 座、乘用車集中充電站20 座、乘用車充換電站10 座、電池配送站50 座，充電樁4000 臺，電動汽車保有量達(dá)到4000 輛。

現(xiàn)狀規(guī)模：2012 年，煙臺市馬山充電站一期完工，建設(shè)直流充電車位8 個，交流充電車位15 個，僅能滿足部分公交及社會車輛的充電需求，滿足不了電動汽車增加及快速續(xù)電能力的客觀要求。 下面以具體充電實例論述：

大型公交車舉例：以一輛大型鋰動力電動大巴為例，配置電池容量700Ah。 最大充電電流210A，最高充電電壓700V，需要充電器的最大輸出功率為245kW。 按最優(yōu)充電要求對電動汽車充電的充電時間，利用200kW 直流充電機(jī)需要3 個小時， 利用60kW 充電機(jī)需要7 小時。 對于電動公交車而言，在晚間下班后利用低谷充電，時間5～6 小時。

普通社會車輛：以比亞迪E6 純電動汽車為例，電池類型為磷酸鐵鈷鋰電池，配置電池容量200Ah，標(biāo)稱電壓316.8V。充電器的輸出功率為192kW。 利用200kW 和60kW 充電機(jī)快速充電時間最少分別為1個小時和2 個小時充滿。

通過以上兩例看出，充電站僅具備快、慢充功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電動汽車快速增長及續(xù)電的要求，因此，在充電站內(nèi)增加電池快速更換即換電車間成為一項必然選擇。

2 項目方案

煙臺馬山充電站位于煙臺高新區(qū)馬山工業(yè)園， 地塊面積0.9882公頃，其中已經(jīng)建設(shè)直流充電車位8 個，交流充電車位15 個，綜合配電樓一座，其余為公交車停車場地。根據(jù)需要，本期增加建設(shè)換電車間一座，布置在站區(qū)北側(cè)。車輛從充換電站東南口進(jìn)入，電池更換后車輛由西北口駛出車間離開換電車間或停入停車場內(nèi)。

圖1 充電站平面布置圖

圖2 充電站主接線方案

2.1 服務(wù)車輛及能力

建設(shè)的換電車間共設(shè)置2 個車輛換電工位，適用于大型電動公交車。濱海沿線及市區(qū)主干道的單程距離均約35 公里，公交車每天往返四次，每兩次換電一次，下面計算電動公交車的運(yùn)行情況。

電動公交車單班行駛里程約為70km， 車輛雙次換電行駛時間為5～7 小時。 單工位服務(wù)車輛：5 輛/小時*5 小時=25 輛。 本站服務(wù)車輛：本期25 輛/工位*2 工位=50 輛。 考慮一定的裕度，取冗余系數(shù)為1.2，則換電車間可服務(wù)60 輛電動公交車。

2.2 電池充電系統(tǒng)

換電車間內(nèi)設(shè)置備用電池充電系統(tǒng)， 采用直流0.3C 方式為電池充電，正常充電時間2.5h。 根據(jù)實際經(jīng)驗，我們認(rèn)為可以設(shè)定2.5h 為一個更換周期，每周期電池更換能力為14 輛次，即每周期充電能力為14 輛。 根據(jù)大型公交車電池配置情況，單工位需配置大小電池14×9=126 箱，本站共計126×2=252 箱。

電池充電采用單箱直接充電方式（大箱）及兩箱串聯(lián)充電方式（小箱），擬采用15kW 充電機(jī)為電池充電，輸出電壓40～100V、最大充電電流150A。單工位需配置充電機(jī)屏14 面，每屏安裝15kW 充電機(jī)6～8臺，共計98 臺，本站共計196 臺。

2.3 電池更換系統(tǒng)

電池更換系統(tǒng)組成：由電池更換設(shè)備、電池架和電池等組成。

電池更換流程：在單工位的兩側(cè)各配置1 套電池更換設(shè)備。 每套更換設(shè)備為獨(dú)立工作，一次動作可以取、放單箱或多箱電池。整個電池更換過程順序為：當(dāng)需要更換電池的車輛進(jìn)入站內(nèi)工位后，更換設(shè)備沿著鋪設(shè)在車輛與電池架中間的直線軌道根據(jù)事先安裝在電池箱上的感應(yīng)器的信號取下電池架上已充好電的電池，然后取出車輛上的需要充電的電池箱，接著更換設(shè)備一邊先將充好電的電池箱送入車輛放電池箱的地方， 接著另一邊將需要充電的電池箱送進(jìn)電池架上充電，完成單次個電池更換過程。 要求整車電池更換動作時間不超過10 分鐘。電池更換設(shè)備采用全自動自旋轉(zhuǎn)一步式設(shè)備，具備全自動、半自動操作模式。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方案

電動汽車充換電站監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，分為：站控層、間隔層、網(wǎng)絡(luò)層。 其中站控層部署相關(guān)服務(wù)器和工作站，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、存儲、監(jiān)視與控制等；間隔層部署具備測控功能的相關(guān)設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)，響應(yīng)站控層指令，網(wǎng)絡(luò)層部署相關(guān)設(shè)備，負(fù)責(zé)間隔層與站控層之間的可靠通訊。

監(jiān)控系統(tǒng)包含充電監(jiān)控、換電監(jiān)控、配電監(jiān)控、安防視頻監(jiān)控、車輛運(yùn)行監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、計量、運(yùn)營管理、信息遠(yuǎn)傳、站內(nèi)負(fù)荷監(jiān)控、站內(nèi)電話等子系統(tǒng)。 各子系統(tǒng)通過多種手段互相連接，實現(xiàn)對整個充換電站的全方位監(jiān)控。

2.5 配電部分方案

本期新增2000kVA 變壓器一臺，10kV 增加避雷器柜、 饋線柜等各1 臺，完善10kV 單母線分段接線。 0.4kV 側(cè)新增低壓配電柜7 臺，完善0.4kV 單母線分段接線。 新上換電車間后電池充換電負(fù)荷由0.4kV 兩段母線均勻分配，原一期整車交、直流充電負(fù)荷亦由0.4kV 兩段母線均勻分配。 10kV 采用聯(lián)絡(luò)方法，互為備用。 每路進(jìn)線可帶兩臺變壓器運(yùn)行。 兩臺變壓器運(yùn)行當(dāng)其中一臺發(fā)生故障時，低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘實施互為備用(條件是變壓器負(fù)載率小于60%)。

2.6 計量計費(fèi)

充換電站計量系統(tǒng)包括電網(wǎng)和充電設(shè)施之間的計量、充電設(shè)施和電動汽車用戶之間的計量兩部分，分別采用交流計量和直流計量。

（1）電網(wǎng)與充電設(shè)施：采用高壓側(cè)計量，在10kV 進(jìn)線側(cè)配置計量柜；

（2）充電設(shè)施和電動汽車用戶：采用低壓側(cè)計量，在分箱充電機(jī)交流輸入側(cè)配置計量表以及電池度計費(fèi)，在公交車上電池箱輸出側(cè)配置直流電能計量表。

站內(nèi)由用電采集終端負(fù)責(zé)采集各個關(guān)口電表交流電表的實時電量信息，通過本地工業(yè)以太網(wǎng)與計費(fèi)工作站通訊，將整個充換電站的總電量、各充電機(jī)的每次充電電量傳送到后臺進(jìn)行處理，并把電量和計費(fèi)信息存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中；通過充換電站計量管理機(jī)完成與用電信息采集系統(tǒng)或上級監(jiān)控中心的通信，確保上級系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取充換電站內(nèi)的電量信息。

2.7 土建部分

換電車間為一層砼排架大跨雙T 板預(yù)應(yīng)力屋面板結(jié)構(gòu)廠房，平面尺寸為：40.50m×20.50m，柱距8m，跨度20m，車間梁底標(biāo)高為7.5m，建筑面積830.25m2。 內(nèi)部功能為電池更換及電池充電架（兩個工位）。

車間在立面設(shè)計上運(yùn)用了現(xiàn)代的設(shè)計手法，在滿足內(nèi)部使用功能要求的前提下，注重與南側(cè)變配電中心在建筑風(fēng)格上的協(xié)調(diào)，通過外墻面的進(jìn)退變化，以及幾種飾面材料的組合變化，使建筑立面局部突出，與眾不同，體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)建筑的時代感和美感。

3 結(jié)語

電動汽車大力發(fā)展是未來的一個必然趨勢，而充電、換電、維護(hù)等設(shè)施的配套建設(shè)更是電動汽車發(fā)展的助推劑。電動汽車充換電站建設(shè)對擴(kuò)大電力終端用電市場， 降低需求側(cè)峰谷差，提高電力供需平衡和電力設(shè)備負(fù)荷效率，具有重要的意義。 本文借助煙臺充電站二期擴(kuò)建工程，對充電站增加換電功能進(jìn)行簡要的分析和配置方案論述。其中也存在許多的問題，希望本文能夠拋磚引玉，引起大家對電動汽車發(fā)展的關(guān)注，共同為節(jié)約能源和優(yōu)化環(huán)境貢獻(xiàn)我們的力量。

［1］國家電網(wǎng)公司2010 年電動汽車充電設(shè)施建設(shè)實施方案[J].國家電網(wǎng)公司,2010,1.

［2］Q/GDW486-2010 電動汽車電池更換站技術(shù)導(dǎo)則[S].

［3］Q/GDW488-2010 電動汽車充電站及電池更換站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].